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Tecnologías de frenado regenerativo para coches eléctricos

HYE | 05 de Enero de 2019

El mercado de los sistemas de frenos regenerativos crecerá de forma significativa en los próximos años.
El mercado de los sistemas de frenos regenerativos crecerá de forma significativa en los próximos años.

El frenado regenerativo permite a los coches eléctricos frenar utilizando el motor, que cambia su modo de funcionamiento para convertirse en un generador que almacena la energía de la frenada en la batería.

La electrificación del automóvil no solo está impulsando la innovación en tecnología de baterías y motores eléctricos, sino que está afectando también a los sistemas de frenos. En un coche eléctrico, la frenada se produce generalmente en dos fases. La primera parte del frenado es en realidad un freno eléctrico ya que interviene la electrónica de potencia para variar la fase del motor y convertirlo en un generador. Eso hace que mientras el coche frena además recarga la batería de alto voltaje de modo que la energía no se perderá en forma de calor por el rozamiento de la zapata sobre el disco. Si el conductor pisa el freno con más fuerza entonces interviene el sistema de frenos hidráulico convencional mediante fricción, con discos y zapatas.

Los frenos regenerativos combinados darán lugar, en un futuro, a un sistema de frenado totalmente eléctrico en el que no intervendrá ningún tipo de rozamiento mecánico, y toda la energía se revertirá a la batería.

En el informe “Análisis y previsión de mercado del sistema de frenos (2017-2026)” se concluye que el frenado regenerativo será un mercado importante en los próximos años. El valor de mercado de los sistemas de frenos regenerativos alcanzará los 24.520 millones de dólares en 2026, con una tasa de crecimiento de 36,47% durante el período 2017 -2021.

Requisitos de un sistema de frenado regenerativo para vehículos eléctricos y autónomos

Las tendencias en electrificación y automatización han empujado a la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) a actualizar los requisitos de los Sistema de frenos que deben cumplir tanto los fabricantes como sus proveedores.

La prioridad 1 es la desaceleración del vehículo, de modo que ante cualquier fallo se debe lograr una desaceleración apropiada. La regla básica es que cuanto mayor sea la velocidad del vehículo, mayor será la desaceleración en caso de fallo.

La prioridad 2 es la estabilidad del vehículo. Durante el frenado y ante cualquier fallo, debe evitarse el bloqueo de las ruedas traseras.

La prioridad 3 es la dirección del vehículo, que especifica que durante el frenado y en el momento de cualquier fallo, debe evitarse el bloqueo de las ruedas delanteras.

Por último, la prioridad 4 es la parada segura. Cuando el vehículo se ha detenido debe permanecer parado ante cualquier fallo para un intervalo de tiempo infinito (esta prioridad se resuelve con el freno de estacionamiento).

Estos requisitos, junto a los de seguridad, las emisiones y la rentabilidad han dado lugar a diferentes tecnologías de frenado regenerativo.

Chevrolet Bolt

El Chevrolet Bolt cuenta con un sistema de un solo pedal combinado con un mando que gobierna el sistema "Regen on Demand" situado en el volante. Su combinación con los dos modos de conducción, Drive o Low, y el uso del acelerador da lugar, según General Motors, a cuatro niveles de frenado regenerativo, progresivamente más fuertes y que son seleccionables por el conductor.

Sistema Regen on Demand del Cherolet Bolt

Sistema Regen on Demand del Cherolet Bolt.

En el modo Drive, y sin aplicar Regen on Demand, al levantar el pie del acelerador se activa el frenado regenerativo aunque es necesario el uso del freno para detener completamente el vehículo. En el resto de modos —Drive + Regen on Demand, Low y Low+Regen on Demand— se puede detener el vehículo sin usar el pedal del freno en algunas situaciones. Cuando entra en funcionamiento el sistema Regen on Demand se aplica la máxima fuerza de frenado regenerativa disponible.

En el modo Drive, Regen on Demand proporciona 65 kW de potencia de frenado regenerativo mientras que en el modo Low son 70 kW. El impacto en la reducción del uso de los frenos y el desgaste de las pastillas es tan grande que General Motors instala discos de frenos resistentes a la oxidación.

El e-Pedal del Nissan Leaf 2018

Nissan ha introducido la tecnología e-Pedal en la segunda generación del Leaf, que permite al conductor arrancar, acelerar, desacelerar y frenar completamente utilizando únicamente el pedal del acelerador. Al levantar el pie de él se activa el sistema de frenado regenerativo y el vehículo disminuye la velocidad. En los recorridos urbanos, el e-Pedal reduce la necesidad de cambiar el pie derecho constantemente de un pedal al otro lo que hace que la conducción sea más cómoda.

El e-Pedal del Nissan Leaf puede conectarse y desconectarse mediante un botón

El e-Pedal del Nissan Leaf puede conectarse y desconectarse mediante un botón.

Según Nissan, el e-Pedal puede cubrir el 90% de las necesidades de frenado durante la conducción, sin necesidad de utilizar el sistema de frenos hidráulicos. La desaceleración que puede llegar a provocar alcanza un máximo de 0.2G, comparable a la que resulta al pisar el pedal del freno. Durante los descensos, la electrónica de potencia permite una desaceleración suave y al detener por completo el coche el sistema de frenos hidráulicos se activa automáticamente.

Por seguridad, las luces de freno se encienden cuando se desacelera. Además los frenos hidráulicos se aplican de forma simultánea en superficies de baja tracción, utilizando las cuatro ruedas para reducir la velocidad del vehículo.

Control de freno integrado de ZF

La tecnología de Control de Frenado Integrado (IBC) ha sido desarrollada por la empresa alemana la empresa alemana ZF. Según su fabricante, proporcionará un frenado regenerativo más eficiente. El sistema admite tanto las funciones de frenado convencionales como las funciones de conducción semiautomáticas. 

Integrated Brake Control, IBC, de ZF

integrated Brake Control, IBC, de ZF.

El IBC reemplaza el sistema de control de estabilidad electrónico (ESC) y el sistema de vacío que se usa en el sistema de admisión de aire del motor para aumentar la potencia de frenado. En el sistema IBC, un actuador de alta precisión es impulsado por un motor eléctrico extremadamente rápido que permite aumentar el rendimiento de frenado y realizar las funcionalidades del ESC. 

El motor está diseñado para generar una alta presión sobre el disco en menos de 150 milisegundos, lo que ayuda a reducir las distancias de frenado, un requisito de los nuevos y rigurosos protocolos de prueba del Programa Europeo EURO NCAP.

Freno electrónico iMEB de Hyundai Mobis

En febrero de 2018, Hyundai Mobis anunció el comienzo de la producción en masa de su nuevo sistema de freno electrónico integrado (iMEB). Según la filial, la empresa coreana suministradora de repuestos del Grupo, iMEB es el sistema de frenos regenerativos más avanzado. Se basa en una unidad de suministro de presión de freno hidráulico controlado por un sistema electrónico que gestiona un motor. A ella se acopla una unidad de suministro de presión de freno y una unidad de control.

Freno electrónico iMEB de Hyundai Mobis

Freno electrónico iMEB de Hyundai Mobis.

La unidad de control de frenos presenta funciones de seguridad como el ESC, el sistema automático de detención en caso de colisión frontal, el control de crucero inteligente avanzado y el freno de estacionamiento electrónico.

El sistema iMEB crea incrementa en un 13% en la capacidad de respuesta de los frenos y reduce su peso un 5%. Esto permite un ahorro de costes del 30% en comparación con los sistemas de frenado convencionales.

Sistema de Frenado Redundante Bosch

Bosch ha desarrollado una solución para sus sistemas de frenos regenerativos que proporciona la redundancia necesaria para los futuros vehículos autónomos.

La solución de Bosch es la combinación de sus sistemas de refuerzo de frenos electromecánicos iBooster y el ESC (Control electrónico de estabilidad). Ambos son capaces de realizar, de manera independiente, funciones de frenado para el vehículo en el caso de que se produzca un fallo. El iBooster es el elemento clave de este sistema que reemplaza al reforzador de frenos por vacío que minimiza la fuerza requerida sobre el pedal para detener el vehículo. El sistema de frenos redundante consta de dos actuadores que pueden desacelerar el vehículo independientemente de la fuerza que aplique el conductor sobre el pedal del freno. En caso de un fallo en el sistema de frenos, cualquiera de los actuadores puede evitar el bloqueo de las ruedas modulando la presión del freno.

iBooster de Bosch

iBooster de Bosch.

Conclusiones

Si bien algunos consideran que la tecnología de freno sin cables es un requisito para la conducción autónoma, pasarán algunos años antes de que la industria del automóvil pueda prescindir de los frenos convencionales. Sin embargo, los requisitos de reducción de emisiones, la tendencia a la electrificación y las regulaciones cada vez más estrictas para los frenos están impulsando el desarrollo en el sector.

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